智能機器人保姆

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機器人技術(shù)在國內外已經(jīng)得到了較好的發(fā)展。例如美國REMOTEC公司設計研制的F6-A防爆機器人，它采用活節式履帶，能夠跨越各種障礙，在復雜的地形上行走。速度為0-5.6公里/小時(shí)，無(wú)級可調，完全伸展時(shí)，最大抓取重量11公斤，配有三個(gè)低照度CCD攝像機，可配置X光機組件（實(shí)時(shí)X光檢查或靜態(tài)圖片）、放射/化學(xué)物品探測器、霰彈槍等等?？捎糜谂疟?、核放射及生化場(chǎng)所的檢查及清理，處理有毒、有害物品，特警行動(dòng)和機場(chǎng)保安。中國也由類(lèi)似的遙控機器人，例如RAPTOR排爆機器人，外形緊湊、堅固可靠，可在會(huì )場(chǎng)過(guò)道、飛機機艙中自如活動(dòng)，在各種大型機器人無(wú)法進(jìn)入的狹窄環(huán)境中執行任務(wù)。附加攝像機，喊話(huà)器，放射線(xiàn)探測器，毒品探測器，散彈槍?zhuān)鞣N水炮槍?zhuān)秸諢舻?；模塊化設計，所有部件可迅速拆裝；遙控/線(xiàn)控可選，遙控距離300 -500米，線(xiàn)控距離100米。該機器人重量達49kg(全配置)，最高速度20 米/ 分鐘（合12千米/小時(shí)），配備有3臺CCD攝像機，其中一臺具有10 倍光學(xué)變焦，可滿(mǎn)負荷連續工作 2 小時(shí)以上，4關(guān)節機械手抓持能力達5-15公斤。

本作品設計一個(gè)能夠在人工采用無(wú)線(xiàn)干預的方式下完成取物工作的機器人保姆。主要是通過(guò)檢測使用者手動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的肌電信號以及手指運動(dòng)情況來(lái)控制該機器人保姆，使該機器人保姆幫助使用者去遠處（使用者視野不能達到的80M范圍內）提取某些物品，然后在不需要使用者再次控制的條件下機器人保姆能夠將所取的物體自主地運送回原出發(fā)地，交給使用者。在前往目的地時(shí)使用者可以通過(guò)機器人保姆的無(wú)線(xiàn)視頻功能對機器人保姆的運行情況以及機器人周?chē)h(huán)境信息進(jìn)行監視。

本作品采用模塊化設計思想，按照本設計主體部分可以分為三大部分：肌電信號檢測識別、無(wú)線(xiàn)通信設計、智能機器人設計。

1. 肌電信號檢測識別

該部分主要是通過(guò)采集人手動(dòng)作時(shí)手臂表皮勢電信號，通過(guò)信號放大以及控制算法的處理，將檢測到的信號進(jìn)行相關(guān)處理，最后得出人手相應的動(dòng)作。主要是涉及到的技術(shù)有微弱信號檢測、微弱信號放大、數據信息處理等技術(shù)。

2. 無(wú)線(xiàn)通信設計

該部分主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸來(lái)實(shí)現上位機與智能機器人之間的數據交流——上位機的控制命令的發(fā)出，智能機器人視頻信息的上傳等。主要是涉及技術(shù)有無(wú)線(xiàn)通信電路設計、無(wú)線(xiàn)視頻傳輸設計等。

3. 智能機器人

該部分主要是通過(guò)一個(gè)機器人的機械手臂能夠在上位機的控制下完成取物操作，完成取物操作后，能夠自主的返回到出發(fā)點(diǎn)，這過(guò)程中需要改機器人具備自主避障、視頻信號的無(wú)線(xiàn)傳輸、記憶運動(dòng)軌跡等功能。

總體設計框圖如圖1所示：

圖6 信號采集軟件流程圖

在本設計中，無(wú)線(xiàn)通信分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是數據信號（控制命令）通信，一個(gè)是視頻通信。數據通訊模塊采用APC220多通道微功率嵌入式無(wú)線(xiàn)數傳模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片。創(chuàng )新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續突發(fā)錯誤，達到業(yè)內的領(lǐng)先水平。視頻通信采用2．4GHz 無(wú)線(xiàn)音視頻模塊，2．4GHz和433MHz一樣是一個(gè)公共頻道，主要是開(kāi)放給工業(yè)，科學(xué)、醫學(xué)三個(gè)主要機構使用，不需授權即可使用，2.4GHz技術(shù)空中通信速率快，可達到2M/S，能滿(mǎn)足視頻傳輸對傳輸速率的要求，在本設計中，攝像頭采用普通的CCD倒車(chē)雷達攝像頭，水平成像角度為150度，攝像頭輸出的是標準的AV制式的信號，該信號直接連入視頻發(fā)射模塊，整個(gè)部分沒(méi)有和單片機相連接，這樣即使單片機在使用過(guò)程中出現問(wèn)題，系統也能繼續傳輸圖像。

該部分都是采用現成模塊而設計的，這樣使用方便，而且穩定可靠。在軟件設計上只需要對數據通信部分進(jìn)行簡(jiǎn)單操作即可完成。

智能機器人的硬件主要設計部分在于機械手臂與攝像頭的設計，其軟件設計主要是遙控器部分、攝像頭部分等的設計，下面主要來(lái)介紹著(zhù)這幾部分的設計。

1）機械手硬件設計

機械手是本設計的關(guān)鍵部分，機械手要完成一個(gè)抓取動(dòng)作，需要有多個(gè)關(guān)節和一個(gè)可控制的夾持器，在機械手的關(guān)節設計上，模仿了人的手臂的工作方式，機械手有三個(gè)關(guān)節分別對應肩關(guān)節、肘關(guān)節、腕關(guān)節，其中肩關(guān)節使用一個(gè)金屬齒輪舵機和一個(gè)塑料舵機分別控制機械手的兩個(gè)自由度，肘關(guān)節使用一個(gè)金屬齒輪舵機控制一個(gè)自由度，腕關(guān)節使用兩個(gè)塑料舵機控制一個(gè)自由度和一個(gè)夾持動(dòng)作。這五個(gè)舵機能在信號的作用下，同時(shí)協(xié)同工作，完成爪持的動(dòng)作。所有關(guān)節與水平面成垂直關(guān)系時(shí)，安裝時(shí)定義為舵機的零角度附近，這樣每一個(gè)關(guān)節都能執行±90°的運動(dòng)，關(guān)節的運動(dòng)關(guān)系和對應關(guān)系如圖7所示。

圖7 機械手設計示意圖

2）機械手的控制部分設計

本設計采用的是舵機來(lái)控制，舵機的工作原理是控制電路板接受來(lái)自信號線(xiàn)的控制信號，控制電機轉動(dòng)，電機帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)。舵機的輸出軸和位置反饋電位器是相連的，舵盤(pán)轉動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位器，電位器將輸出一個(gè)電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據所在位置決定電機的轉動(dòng)方向和速度，從而達到目標角度后停止，這樣，實(shí)現了舵機角度的閉環(huán)控制。舵機的輸入線(xiàn)共有三條，紅色中間，是電源線(xiàn)，一邊黑色的是地線(xiàn)，這輛根線(xiàn)給舵機提供最基本的能源保證，舵機的第三根線(xiàn)是信號線(xiàn)，本設計中用到的舵機控線(xiàn)為白色或者黃色，舵機的控制信號時(shí)基脈沖周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms到2.5ms，相對應舵盤(pán)的位置為0－180度，呈線(xiàn)性變化，其對應關(guān)系如圖8所示。

圖8 舵機輸出角度與脈沖周期關(guān)系圖

3）機械手電路設計
采用的是當機械手舵機在工作時(shí)，需要5V供電電壓，同時(shí)工作的電流大概是2~3A，在

圖9 機械手電路設計

本設計中，使用的電池是12V的硫酸鉛蓄電池，為了滿(mǎn)足供電的需要，設計中采用5個(gè)KIA7805芯片將12V的電壓轉換為5V的電壓，分別為5個(gè)舵機供電。電路原理圖如圖9。